改建公路沥青路面结构设计分析

贾亚红

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 工程概况

华南地区某一级公路，为双向六车道，设计车速100 km/h，路基宽度为33.5 m，沥青混凝土路面结构。2000年通车，已接近既有路面的设计使用年限，近年来路面损坏日益严重，为提高服务水平，拟进行改建。本项目全长20 km，改建后路面结构设计使用年限为15年。

项目所在地属亚热带季风气候，自然区划属于Ⅳ-2区，沥青路面气候分区属1-3区，年均降雨量1 047 mm，年平均气温15.9℃，月平均气温最低为2.6℃，月平均气温最高为28.1℃。

2 设计参数及指标

2.1 交通参数

根据现场交通调查和历史交通数据分析，断面大型客车和货车交通量为2 000辆/日,交通量年增长率为5.0%，方向系数为0.56，车道系数为0.5。设计车道初始年日均货车和大型客车交通量为560辆/日。

根据现场调查，车辆类型分布系数及各车型车辆的累计交通量见表1。

表1 车辆类型分布系数和各车型车辆交通量

根据路网相邻公路的车辆满载情况及历史数据的调查分析，得到各类车型非满载与满载比例，如表2所示。

表2 非满载车与满载车所占比例 %

根据规范中表6.2.1，对应的设计指标为沥青混合料层永久变形与无机结合料层疲劳开裂。不同设计指标下各车型对应的非满载车和满载车当量设计轴载换算系数，采用设计项目所在地的典型值[1]，如表3所示。

表3 非满载车与满载车当量设计轴载换算系数

根据公式（A.4.2）计算得到对应于沥青混合料层永久变形的当量设计轴载累计作用次数为10 691 696次,对应于无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为622 785 098次[1]。本公路设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为4 410 658 pcu/d，设计交通荷载等级为中等交通。

2.2 设计指标

a）路面设计年限为15年。

b）公路自然区划 根据《公路自然区划标准》，设计路段为公路自然区Ⅳ-2区，沥青路面气候分区属1-3区。

表4 沥青混凝土路面设计技术指标表

2.3 既有路面调查

调查表明既有路面主要损坏是车辙、横向裂缝和网裂。

东段路面损坏严重，基层结构性损坏严重，同时沥青面层损坏严重。路面损坏状况评价等级为中，且路表弯沉值较大，落锤式弯沉仪检测弯沉代表值为40（0.01 mm），结构强度评价等级为差。

西段路况较好，路面损坏状况评价等级为良，落锤式弯沉仪检测弯沉代表值为26（0.01 mm），结构强度评价等级为良。

公路沿线路基状况和水文条件良好，主线桥梁和其他构造物结构状况良好。

3 路面结构计算

采用沥青路面结构分析软件（APAD）进行计算。

3.1 初拟路面结构

表5 初拟路面结构（东段）

表6 初拟路面结构（西段）

3.2 路面结构验算

3.2.1 沥青混合料层永久变形验算

根据表G.1.2，基准等效温度Tξ为22.1℃，由式（G.2.1）计算得到沥青混合料层永久变形等效温度分别为：东段23.7℃、西段22.1℃，可靠度系数为1.28[1]。

根据B.3.1条规定的分层方法，将东段沥青混合料层分为6个分层,将西段沥青混合料层分为10个分层[1]，各计算结果汇总于表7、表8中。

各层永久变形累加得到沥青混合料层总永久变形量分别为：东段Ra=1.5 mm、西段Ra=2.0 mm，根据表3.0.6-1，沥青层容许永久变形为15.0 mm，拟定的路面结构满足要求。

表7 沥青层永久变形计算结果（东段）

表8 沥青层永久变形计算结果（西段）

3.2.2 无机结合料层疲劳开裂验算

根据弹性层状体系理论，计算得到无机结合料层层底拉应力为：东段0.321 MPa、西段0.305 MPa。根据气象资料，工程所在地区冻结指数F为15.0℃·日，按照表B.1.1，季节性冻土地区调整系数ka取1.00。根据式（B.2.1-2），现场综合修正系数为-0.981[1]。

根据工程所在地区，查表G.1.2得到基准路面结构温度调整系数为1.35，根据初拟路面结构和路面结构层材料参数，按式（G.1.3-1）计算得到温度调整系数 kT2为：东段 1.14、西段 1.51。由表 B.2.1-1，对于无机结合料稳定粒料，疲劳开裂模型参数a=13.24，b=12.52。弯拉强度为：东段 1.8 MPa、西段1.6 MPa[1]。

根据以上参数，按式（B.2.1-1）计算得到无机结合料层底疲劳寿命分别为：东段1 735 945 818轴次、西段690 272 364轴次[1]。

3.2.3 贯入强度验算

公路所在地区月平均气温大于0℃的月份数为12个月，由此得到对应于贯入强度验算的设计车道累计设计轴载作用次数Ne5为10 691 696。所在地区月平均气温大于0℃的各月份气温平均值为15.9℃。根据公路等级，参照表3.0.6-1，得到沥青混合料层容许永久变形量为15.0 mm。路面结构系数根据式（5.5.8-2）计算为：东段0.88、西段0.86。沥青混合料层的综合贯入强度由式（5.5.8-3）确定为：东段 0.65 MPa、西段 0.70 MPa。根据式（5.5.8-1），得到沥青混合料层的贯入强度要求值为：东段0.51 MPa、西段0.50 MPa。所以，拟定的路面结构和材料满足贯入强度要求[1]。

3.2.4 路表验收弯沉值

采用附录B.7节规定荷载，采用弹性层状体系理论计算得到加铺后路面结构路表验收弯沉值分别为：东段 13.4（0.01 mm）、西段 18.5（0.01 mm）[1]。

3.3 计算结果

各项验算结果汇总如表9、表10所示。

表9 分析结果汇总（东段）

表10 分析结果汇总（西段）

由表9、表10可知，所选路面结构和材料能满足各项验算内容的要求。

4 路面结构设计方案

根据病害现状，结合路线纵坡，拟从结构修复、路面封水和改善表面功能3个方面来着手解决：

a）既有路面破损不严重且结构性能较好的路段可参照现行《公路沥青路面养护技术规范》对局部病害处治后进行加铺。

本项目的西段首先对原有病害进行处治或铣刨原沥青面层，然后将表面清理干净后撒铺黏层油，最后加铺4 cm的AC-13细粒式密级配SBS改性沥青混凝土。

b）既有路面破损严重或结构性能不足的路段，宜采用整体性处理方式。处理深度和范围应根据路面破损程度、层位和处理工艺确定。

本项目的东段路面破损严重，因此铣刨原沥青面层，对基层进行补强或铣刨后重新铺筑沥青面层和基层后，按上面层4 cm的AC-13细粒式密级配SBS改性沥青混凝土，下面层采用6 cm的AC-20中粒式密级配沥青混凝土（掺0.3%的抗车辙剂），基层采用30 cm的水泥稳定碎石铺筑。

对下面层掺配抗车辙剂，可以有效提高沥青路面的高温稳定性能，减缓车辙的发生及降低车辙深度。

表11 路面结构设计方案表

5 其他注意事项

a）确定改建设计方案时，应充分利用既有路面结构性能，最大程度地节能减排，减少环境污染；做到废物利用，减少材料消耗，并积极稳妥地利用再生后的混合料。

b）改建设计应采用动态设计理念，工程实施阶段应逐段调查分析现场路况，动态调整改建方案。

c）由于该项目年均降雨量较大，同时又是改建工程，所以需重新设置排水系统或采取措施提高原排水系统的排水能力。

d）应考虑施工期交通组织设计和临时安全设施设计。

e）交工验收时，其抗滑技术指标应满足表12的技术要求。

表12 抗滑技术要求

6 结语

与旧规范相比，新规范的主要优点有：

a）规范了轴载谱及交通参数的调查分析方法，强调按实际情况做好交通荷载分析与预测，按照全寿命周期成本的理念进行路面设计。

b）引入了温度调整系数和等效温度。

c）改变了路面材料的设计参数，调整了相应测试和取值方法。

d）增加了沥青混合料层永久变形量、路基顶面竖向压应变和路面低温开裂指数设计指标，改进了沥青混合料层和无机结合料稳定层疲劳开裂预估模型，取消了路表弯沉设计指标[1]。